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Présenté au Club des astronomes amateurs de Laval le 20 mai 2015, aux Vagabonds du ciel de Lanaudière le 8 aout 2015, au Club d’astronomie VÉGA de Cap-Rouge le 14 octobre 2015, au Club d’astronomie de Dorval le 2 novembre 2015, et au Regroupement des astronomes amateurs de l’Outaouais québécois le 9 novembre 2015.

LES INSTRUMENTS ASTRONOMIQUES ANCIENS

Présenté dans divers clubs depuis mai 2015. Modifié et adapté de l’original selon les interactions avec l’audience à chaque fois.

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Quel est le plus ancien instrument astronomique?

Allez-y, essayez de devinez… puis passez à la page suivante!

?

La peau!

Apparue il y a environ 600 millions d’années, la peau permet de sentir la chaleur du Soleil… mais ça ne fonctionne que pour cette étoile, alors c’est vite devenu ennuyant… Pas d’astronomie à strictement parler!

L’œil

Une forme d’œil apparait il y a environ 540 millions d’années. Pour les animaux, le premier œil serait celui des trilobites, vers ~300MA, mais d’autres yeux rudimentaires apparaissent avant. Environ 360 000 ans seraient assez pour former un œil comme celui des humains, selon une estimation pessimiste! Toute une histoire pour son évolution…

Le gnomon

Un simple bâton planté dans le sol permet de suivre les ombres. On y reviendra. Si le bâton est assez gros, comme ici l’Obélisque de Louxor, tous les habitants d’un même village peuvent voir son ombre et se servir de la position de celle-ci pour convenir du moment d’un rendez-vous futur, par exemple. «Hey! Viens me rejoindre à l’obélisque quand l’ombre pointe vers la boutique d’Hør!»

(Cette obélisque aujourd’hui à Paris, Place de la Concorde; photo prise par Pierre Paquette, le 5 septembre 2015).

Stonehenge

Construit vers 3100 AÈC, cet amas de pierres servait peut-être à identifier les solstices d’été et d’hiver, alors que le soleil se levait entre deux pierres précises tel que vu d’un certain emplacement.

Il ne pouvait pas être transporté, donc ce n’était pas un instrument à strictement parler, mais…

Certaines femmes ont de gros sacs à main, alors pourquoi pas? Ou encore…

Avec l’aide d’Obélix!

mrḫt

Selon l’inscription, ce merkhet (ou merkhyt ou mrḫt) appartenait à un prêtre appelé Bes, fils de Khonsirdis, qui était Observateur des heures au Temple d’Horus à Edfu, en Haute-Égypte. Ce merkhet précis fut donné au Musée des Sciences de Londres par Howard Carter, qui est nul autre que l’archéologue qui a découvert le tombeau du pharaon Toutânkhamon.

Voici une reconstitution de ce même merkhet, réalisée en bois par Pierre Paquette.

(Image à venir! XXX###XXX)

On voit ici certains concepts plus ou moins portatifs de cadrans solaires égyptiens. a) et b) Merkhet, c) Setjat ou sechat (en égyptien, seṯȝt), v. −1500, d) Principe de projection de l’ombre, e) Cadran solaire, f) Peut-être des restes de cadran solaire?

D’autres appareils égyptiens. a) et b) Merkhets, c) Objet inconnu, d) Bay, e) Merkhet, f) Objet inconnu, g) Cadran solaire, déjà divisé en heures de 15°, même à cette époque, gage de l’ancienneté du concept

Cadran solaire, vers 1500 AÈC

Aujourd’hui à l’Université de Bâle, en Suisse, cet instrument était semiportatif (l’échelle est probablement en centimètres, ce qui fait que l’objet mesurerait environ 20 cm [8″] de côté).

Les cadrans solaires ne sont pas tous identiques, et leur dessin dépend de leur orientation, comme le démontre celui-ci, datant de 1674 et situé sur le mur du Musée du Moyen-Âge, Hôtel de Cluny, Paris. La photo a été prise par Pierre Paquette le 5 septembre 2015. La devise Nil Sine Nobis au centre signifie «Rien sans nous».

Quadrant de base

On a tôt fait de remarquer que l’heure pouvait être calculée selon la hauteur du Soleil dans le ciel. L’astronome, mathématicien, et géographe perse Muhammad ibn Mūsā al-Khwārizmī, né dans le Khwarezm (auj. séparé entre l’Ouzbékistan, le Kazakhstan, et le Turkménistan) v. 780 et décédé v. 850 (v. 185–v. 233 AH) est à l’origine du quadrant, qui permet de mesurer cette variable en un coup d’œil. Celui que l’on voit ici est une reconstitution moderne faite de carton.

Astrolabe marin

L’astrolabe marin, une version simplifiée de l’astrolabe astronomique que l’on verra plus tard, a été développé vers 1470. Il est plus lourd, et sa table est trouée pour réduire la résistance au vent — ici, le bas de l’instrument est plus plein, pour que la gravité aide encore plus à stabiliser l’instrument. On l’utilisait pour déterminer la latitude selon la hauteur de l’Étoile polaire ou du Soleil, visés par les mires sur l’alidade (sorte de bras pivotant). Cet exemplaire a été retrouvé en 1845 sous un rocher à l’ile de Valentia au sud de l’Irlande, où des navires de l’Armada espagnole ont sombré en 1588. L’instrument n’a pas de chiffres sur son échelle, suggérant qu’il n’a jamais été complété — son artisan travaillait peut-être encore dessus lorsque le bateau a sombré. 17 × 178 mm.

Ci-contre, une reconstitution moderne par Dr Günther Oestmann.

D’autres quadrants contiennent plus d’informations que les seuls degrés de hauteur. Ce quadrant a été réalisé pour le roi Richard II en 1396 ou peu avant, et a été retrouvé au milieu des années 1970 par le jeune Christopher Becker et son frère dans la grange de leur ferme au Queensland, en Australie. Il avait été envoyé à la famille dans une boite contenant «toutes sortes de choses» au décès d’un lointain parent en Nouvelle-Zélande, dont les ancêtres l’avaient apporté en émigrant d’Angleterre dans les années 1860.

Cet appareil était à vendre sur le site de la maison d’enchères Bonhams, pour un «petit» 250 000 $ à 340 000 $.

Quadrant de Gunter

Inventé par Edmund Gunter (1581 – 10 décembre 1626), qui le présente en 1623 dans The Description and Use of the Sector, Cross-Staff and other Instruments. L’image provient de la page Web de Louis Charbonneau, professeur à l’Université du Québec à Montréal (UQAM).

Quadrant de Delamain

Cet instrument aux formes inhabituelles est inventé par Richard Delamaine (Delamain) en 1631, lançant du coup un débat entre lui et son ancien professeur, William Oughtred, à propos de qui avait été le premier à définir des instruments à projection horizontale — en fait, aucun des deux, ce qui rend le débat d’autant plus cocasse! Philippe Apien (1531–1589, fils de Peter) a parlé de quadrants similaires dans De Utilitate trientis, instrumenti astronomici novi en 1586, et de tels instruments étaient connus du monde islamique au XIIIe siècle. Cette reconstitution a été fabriquée par John Davis en 2007.

Kamal

À l’autre extrémité du spectre de la complexité se trouve le kamal, d’inventeur inconnu — probablement un marin, et probablement au IXe siècle de notre ère.

On tient un bout de la corde entre les dents, et on étire celle-ci en tenant la carte dans la main. Les côtés de la carte soustendent alors un certain angle, par exemple 5° par 7,5°. En la plaçant à certains nœuds plutôt qu’au bout de la corde, les angles sont différents.

Un avantage de cette invention simple est que l’on peut inscrire/graver des informations, des formules, etc. sur la carte.

Bâton de Jacob

Décrit par Levi ben Gershon (Gersonide) (1288–1344) au XIVe siècle, mais peut-être inventé par Jacob ben Makir ibn Tibbon (Prophatius) (1236–1304), le bâton de Jacob est peut-être dérivé du kamal.

Gersonide le décrit ainsi : «…d’un bâton de 4,5 pieds [1,4 m] de long et environ un pouce [2,5 cm] de large, avec six ou sept tablettes perforées qui peuvent glisser le long du bâton, chaque tablette étant une fraction intégrale de la longueur du bâton pour faciliter les calculs, utilisés pour mesurer la distance entre les étoiles ou les planètes, et les altitudes et diamètres du Soleil, de la Lune et des étoiles.»

Le bâton principal a des graduations. Plusieurs transverses étaient normaux au début, mais furent éventuellement remplacés par un seul, éventuellement avec des chevilles mobiles.

Astrolabe linéaire

Sharaf al-Din al-Muzzaffar ibn Muzaffar al-Tusi (né en 1156 à Tus, dans la province de Khorassan, à environ 1000 km de Téhéran, près de la frontière afghane; décédé en 1242 à Bagdad), à ne pas confondre avec Nasir-ed Din al-Tusi, invente cet appareil vers 1200. En tendant les cordes de certaines façons, on arrive à mesurer la hauteur du Soleil, et de là, grâce à d’autres inscriptions et mesures simples, on peut connaitre l’heure du jour et même la date.

L’image du dessus représente une réplique fabriquée par XXX###XXX, tandis que l’instrument ci-contre a été fabriqué par Pierre Paquette. (Image à venir! XXX###XXX)

Sextant et alidade précise

Mesurer la position d’une étoile peut être difficile avec une alidade trouée, tandis que des chevilles seront toujours plus grosses que l’étoile, ce qui réduira la précision. Hevelius opte pour un hybride trou/cheville avec ce sextant qu’il invente entre 1665 et 1675.

En regardant l’étoile avec cet alidade (E), si on la voit seulement d’un côté du cylindre (F), alors l’instrument n’est pas centré dessus. Si on la voit des deux côtés (G), alors l’instrument est centré. En réalité, l’instrument d’Hevelius a des fentes plutôt que les petits poteaux de section carrée. Hevelius n’arrive pas à expliquer pourquoi cela fonctionne, mais on sait aujourd’hui que c’est à cause de la nature ondulatoire de la lumière (qui est aussi une particule, mais ça, c’est une autre histoire…).

Volvelles

Le mot «volvelle» désigne n’importe quelle rondelle de papier (ou d’un autre matériel) pivotant sur un support fixe. Ici, on aperçoit une volvelle servant au calcul de la position de Jupiter, et présenté par Peter Bienewitz, latinisé en «Apianus» (né le 16 avril 1495 à Leisnig, en Saxonie, Allemagne; décédé le 21 avril 1552 à Ingolstadt, en Bavière) dans son ouvrage magistral Astronomicum Cæsareum (en l’honneur de Charles V) en 1540.

Grâce aux instructions figurant ailleurs dans le livre et au tableau présenté sur la page opposée à chaque volvelle du livre (qui en contient 35), on peut calculer notamment la longitude et la latitude écliptiques de chaque planète, pour les années −7000 à +7000 — Apianus a calculé des «positions de base» pour chaque siècle, à partir desquelles on calcule les valeurs précises.

La précision de ces appareils qui semblent pourtant simples est telle que l’auteur de ces lignes a déterminé, grâce à une simple impression grandeur nature du PDF proposé ci-dessus, la position de Jupiter à 1,5° de précision pour une date en 2016!

Cadran solaire général

Le problème principal des cadrans solaires est qu’ils sont conçus uniquement pour une latitude, et qu’ils ne peuvent donc pas être utilisés avec précision à une autre latitude. Par exemple, un cadran conçu pour Montréal ne serait pas utilisable à Washington.

Johannes Müller von Königsberg, latinisé en «Regiomontanus», (né le 6 juin 1436 à Unfinden [auj. intégré à Königsberg, en Bavière]; décédé le 6 juin 1476 à Rome) règle ce problème en inventant, vers 1474, le cadran solaire général, qui peut être utilisé de l’équateur jusqu’aux cercles polaires, à n’importe quelle date.

L’utilisateur ajuste le petit bras articulé en métal (fixé à une feuille de papier, car l’instrument est d’abord présenté dans un livre!) selon sa latitude et la date, puis fait pendre la corde vers la date indiquée dans le tableau au bas de l’image. Une perle (non affichée) est ensuite ajustée, et le bord de l’instrument pointé vers le Soleil. La perle indiquera alors l’heure solaire vraie du lieu, le long des lignes de la partie gauche ou entre elles. Par exemple, si la perle est aux deux-tiers entre la ligne de 10 h et celle de 11 h, il est alors environ 10 h 40.

Malgré sa courte vie (il meurt le jour de ses 40 ans!), Regiomontanus est aussi connu pour avoir amorcé en 1475 , à la demande du pape Sixte IV, une réforme du calendrier, après avoir critiqué la méthode du calcul de la date de Pâques. Cette réforme n’est jamais complétée par Sixte ou Regiomontanus, mais en 1582, le pape Grégoire XII charge Clavius la compléter… donc 107 ans plus tard! Le résultat est le calendrier grégorien que l’on utilise encore aujourd’hui.

Nocturlabe

Apianus invente le nocturlabe ou nocturne vers 1530. On pointe l’œillet central vers l’Étoile polaire, puis on ajuste le bras selon la position observée d’autres étoiles de la Petite Ourse ou de la Grande Ourse (selon le modèle). En plaçant le pointeur du disque argenté sur la date courante, le bras indique l’heure du moment de l’observation.

Ces deux nocturnes ont été fabriquées vers 1575. Celle de gauche est à l’Observatoire de Paris, bien qu’elle ait été fabriquée à Vienne (Autriche). Celle de droite a été fabriquée par Humfrey Cole, à Londres. Elle est en laiton et mesure 95 mm de diamètre. Au verso, des cercles gradués en heures et en degrés, ainsi qu’un schéma des phases de la Lune et une autre volvelle, permettent de trouver l’heure des marées.

Cadran solaire avec canon

Cette réplique est exposée au Musée des Arts et Métiers, à Paris. La photo a été prise par Pierre Paquette, le 6 septembre 2015. L’appareil original était installé au Jardin des Tuileries (il n’en reste plus que le piédestal et une partie de la plaque du cadran). À midi de temps solaire vrai chaque jour, la loupe installée sur le dessus concentrait la lumière solaire dans la fente du canon, allumant la poudre et déclenchant une explosion. C’était le signal de midi, que l’on pouvait entendre loin aux alentours.

Quand astronomie rime avec art

Le vin est à l’origine de plusieurs belles inventions… On aperçoit ici un calice contenant un cadran solaire, fabriqué par Bartholomaeus Madauer en 1554 à Aldersbach. L’appareil est en laiton et mesure 105 mm (4″) de diamètre. L’intérieur contient une échelle des heures et une échelle d’altitude solaire. On tourne l’appareil jusqu’à ce que l’ombre du gnomon soit projetée sur le bon mois (identifié par le signe du zodiaque correspondant); on a alors le temps solaire vrai. On peut aussi le tourner pour que l’ombre arrive sur l’échelle d’altitude; on a alors l’altitude du Soleil. L’instrument a été conçu pour la latitude de 48°, soit celle de Passau, en Allemagne. C’est le plus ancien calice-cadran d’une dizaine qui survivent aujourd’hui; ces instruments ont connu une brève période de popularité en Allemagne aux XVIe et XVIIe siècles.

Non, ce n’est pas une trappe à souris! Ce compendium astronomique (regroupement de plusieurs instruments différents) a été fabriqué par Humfrey Cole en 1568, à Londres. Il est en laiton et mesure 66 × 60 × 20 mm fermé. Il est sous forme de livre, un format approprié pour son propriétaire original, un imprimeur. Il inclut un quadrant, de l’espace pour des instruments de dessin, une boussole, un cadran solaire équinoxial universel, une table des latitudes de villes, et un calendrier (incomplet).

Cet autre compendium a été fabriqué en Allemagne et mesure 90 × 90 × 19 mm. Son fabricant est inconnu. Le quadrant du dos a perdu son fil à plomb. On peut lire des noms inhabituels pour mardi et jeudi, soit «Erichdag» (jour d’Erich) et «Pfinsdag», au lieu de «Dienstag» et «Donnerstag», laissant présumer que l’instrument viendrait du sud de l’Allemagne, où l’on parlait alors un dialecte d’allemand différent. L’instrument est très richement décoré; on y voit des personnages tenir des instruments astronomiques, et dans le carré d’ombre au dos, un homme avec une lance et une tête coupée!

Astrolabe

Nous arrivons maintenant à l’icône-même des instruments astronomiques anciens; l’astrolabe. Quand fut-il inventé ? Une légende raconte que ce serait par Ptolémée, qui échappa un jour sa sphère armillaire, sur laquelle son cheval pila; il en résulta l’astrolabe. Mais peut-être a-t-il plutôt été inventé par Hipparque, ou par Hypatie?

Quoi qu’il en soit, le plus vieux texte en grec à mentionner l’astrolabe date de l’an 530 de notre ère, et a été écrit par Jean Philopon (Ἰωάννης ὁ Φιλόπονος, en arabe Yaḥyā al-Naḥwī [v. 490/495 – ≥568]). Les Arabes et Severus Sabokt (VIIe siècle) mentionnent que Ptolémée ne serait pas le premier à l’utiliser : apparemment, «le philosophe qui a inventé l’astrolabe» (ces mots sont de Sabokt) utilisait une valeur de 24° pour l’inclinaison de l’écliptique par rapport à l’équateur terrestre, au lieu de 23° 51′ comme Ptolémée. Déjà, Vitruve [80/70 AÈC – ≥15 AÈC], dans son De Architectura, écrivait «Arachnen Eudoxus astrologus, nonnulli dicunt Apollonium», ce qui se traduit par «Eudoxe [de Cnide], ou selon certains Apollonius, [a inventé] l’arachnée»… or, la partie mobile avec le cercle de l’écliptique et les étoiles est appelée «araignée»! Eudoxe a vécu de 409 à 356 AÈC, et Apollonius au IIIe siècle AÈC.

L’astrolabe que l’on voit ici est le plus ancien astrolabe islamique daté. Il a été fabriqué par Nastulus (ou Bastulus) en Iraq (son nom est écrit en kufi ou coufique, un vieux style calligraphique arabe), et la date est écrite en lettres arabes : 315 AH, soit 927/928 ÈC. Quelques rares autres instruments retrouvés seraient plus anciens (IXe siècle), mais on ne peut pas les dater avec certitude…

En fait, ceci est le plus ancien astrolabe connu; il aurait été fabriqué au IXe siècle, probablement en Iraq (bien qu’il ait été retrouvé au large de la Malaisie). Il en existait un seul plus ancien encore, mais il a été perdu lorsque les Américains ont envahi l’Iraq en 2003 et saccagé le musée de Bagdad.

Celui-ci ressemble à un autre appareil, fabriqué en 1068 par Ibrahim ibn Sa’id al-Sahli; peut-être est-il de la même origine? Une chose est étrange, toutefois : l’instrument contient deux plaques gravées avec des noms de villes de France, mais son trône le date du XIe au XIIIe siècle en Espagne musulmane… Le trône est décoré de quatre lions, et est forgé d’un seul morceau avec le limbe et la mère. L’appareil a sept plaques avec des projections stéréographiques, pour les latitudes de 12°/24°, 30°/32°, 33°/36°, 39°/40°, 43°/44°, 45°/46°, et 47°/48°. L’araignée contient des pointeurs d’étoiles en forme d’aiguille.

Au verso, on trouve une échelle combinée pour les degrés et le zodiaque, une échelle pour le calendrier civil, un carré d’ombres, et un almanach de 28 ans. Les initiales «bm» ne sont pas écrites de la main originale; peut-être s’agit-il de celles d’un propriétaire?

Astrolabe de Lavoisier

Tout bon savant se devait d’avoir un astrolabe, et le célèbre chimiste Lavoisier n’y faisait pas exception. Celui-ci date du début du XVIe siècle, donc avant le savant, qui l’a éventuellement acheté. On le trouve aujourd’hui dans la salle «Le laboratoire de Lavoisier» au Musée des Arts et Métiers, à Paris. La photo a été prise par Pierre Paquette, le 6 septembre 2015.

Astrolabe de Rennerus Arsenius

Fabriqué en 1569, ce superbe astrolabe est au bas du premier présentoir à l’ouverture des portes de l’ascenseur du Musée des Arts et Métiers, à Paris. La photo a été prise par Pierre Paquette, le 6 septembre 2015, sous le regard amusé de son ami, qui a pris Pierre en photo et envoyé l’image à la conjointe de Pierre (demeurée à Montréal), lui disant «je viens de perdre Pierre pour au moins deux heures!»… ce qui ne fut pas le cas!

On peut en lire un peu plus au sujet de cet astrolabe sur le site du Musée des Arts et Métiers. Un autre instrument d’Arsenius (mais son prénom étant orthographié «Regnerus») est présenté sur le site du Museum of the History of Sciences, Oxford.

Complétons notre présentation avec quelques images des instruments fabriqués par Pierre Paquette…

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